WO2014054751A1 - 可変容量コンデンサ - Google Patents

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WO2014054751A1
WO2014054751A1 PCT/JP2013/076978 JP2013076978W WO2014054751A1 WO 2014054751 A1 WO2014054751 A1 WO 2014054751A1 JP 2013076978 W JP2013076978 W JP 2013076978W WO 2014054751 A1 WO2014054751 A1 WO 2014054751A1
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movable
electrode
fixed
capacitance
movable portion
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/076978
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English (en)
French (fr)
Inventor
尚信 大川
村田　眞司
矢澤　久幸
亨 宮武
Original Assignee
アルプス電気株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a variable capacitance capacitor, and more particularly to a variable capacitance capacitor in which an opposing distance between a pair of capacitance electrodes is changed by application of a voltage.
  • variable capacitance capacitors can be mass-produced by a microdevice technology called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Since MEMS is suitable for miniaturization and can be made relatively inexpensive if mass-produced, it is expected to contribute to miniaturization and high performance of portable devices. Furthermore, since the frequency band used for mobile phones is a wide band such as 700 MHz to 2.5 GHz, a variable capacitance capacitor having a variable ratio of about 10 times the maximum capacitance to the minimum capacitance is required. It is done.
  • FIG. 11 is a perspective view of a conventional variable capacitance capacitor described in Patent Document 1.
  • the fixed portion 120 and the movable portion 130 are disposed to face each other at an interval.
  • Two beams 150 are provided at the central portion of the movable portion 130 and fixed to the fixed portion 120, and the movable portion 130 is rotatable by the torsion of the beam 150.
  • the fixed electrode 120 is provided with a drive electrode 121 and a capacitor electrode 122 as fixed electrodes so as to face the movable part 130.
  • a movable electrode 131 is formed on the back surface of the movable portion 130 as a common electrode facing the drive electrode 121 and the capacitance electrode 122.
  • the movable portion 130 When a drive voltage is applied between the drive electrode 121 and the movable electrode 131, a potential difference is generated between the drive electrode 121 and the movable electrode 131 to generate an electrostatic force (chronic force).
  • the movable portion 130 is attracted to the drive electrode 121 with the beam 150 as a rotation axis by the electrostatic force.
  • the distance between the capacitive electrode 122 and the movable electrode 131 changes in the direction of increasing, so the electrostatic capacitance formed by the capacitive electrode 122 and the movable electrode 131 changes.
  • the movable portion 130 is displaced to a position at which the crown force and the restoring force against the torsion of the beam 150 are balanced. Therefore, the displacement position of the movable portion 130 can be changed by the voltage value applied between the drive electrode 121 and the movable electrode 131, and the electrostatic capacitance value can be adjusted to a desired value.
  • variable range of the movable portion 130 is largely changed to one-third or more of the facing distance between the movable portion 130 and the drive electrode 121 in the absence of electrostatic force, It is not possible to balance the electrostatic force and the restoring force. Therefore, the movable portion 130 is pulled to be in contact with the fixed portion 120, and can not return to the original state. This is a phenomenon called pull-in effect, which limits the variable range of the electrostatic drive system.
  • a position where the drive voltage is not applied between the movable portion 130 and the drive electrode 121 is defined as an initial state.
  • the capacitance electrode 122 has to be arranged apart from the beam 150 in the X2 direction as compared with the position of the drive electrode 121.
  • the arrangement of the capacitance electrode 122 and the beam 150 must be separated, so the overall size becomes large.
  • the method of separating the arrangement of the capacitive electrode 122 and the beam 150 is not preferable, contrary to the miniaturization of the device.
  • the position of the movable portion 130 is determined by the balance between the electrostatic force and the restoring force due to the torsion of the beam 150.
  • the electrostatic force is proportional to the square of the voltage and inversely proportional to the square of the distance between the electrodes. Therefore, when the drive voltage is small, the amount of displacement of the movable portion 130 is small relative to the change of the drive voltage, and the controllable variable range of the facing distance between the movable portion 130 and the capacitance electrode 122 is limited.
  • variable capacitance capacitor 110 of the conventional example it is practically difficult to increase the variable range of the facing distance of the capacitance electrodes 122.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a variable capacitance capacitor capable of increasing the variable range of the facing distance of the capacitance electrodes.
  • variable-capacitance capacitor has a pair of capacitive electrodes provided opposite to each other, and a pair of drive electrodes to which a drive voltage for changing the distance between the pair of capacitive electrodes is applied.
  • the variable capacitance capacitor is characterized in that it has a pair of bias electrodes to which a bias voltage is applied for changing an opposing distance of the pair of capacitive electrodes in a direction opposite to a change direction by the drive voltage.
  • the bias voltage is applied between the pair of bias electrodes, and the opposing distance between the pair of capacitive electrodes changes in the opposite direction to the change direction by the drive voltage. It can be done. Therefore, by applying the bias voltage between the pair of bias electrodes in the initial state, the movable range of the facing distance of the pair of capacitive electrodes, which can be changed by the drive voltage, can be enlarged.
  • the electrostatic force by the bias voltage and the electrostatic force by the drive voltage work in a direction to cancel each other. Therefore, even when the drive voltage is small, the linearity between the displacement amount of the capacitive electrode and the drive voltage can be improved, and the movable range of the opposing distance between the pair of capacitive electrodes can be increased.
  • variable capacitance capacitor of the present invention it is possible to enlarge the variable range of the facing distance of the capacitance electrodes.
  • the pair of capacitance electrodes includes a fixed capacitance electrode provided in a fixed portion and a movable capacitance electrode provided in a movable portion, and the pair of drive electrodes is fixedly driven.
  • An electrode and a movable drive electrode are provided, and the pair of bias electrodes is configured to include a fixed bias electrode and a movable bias electrode, and the movable drive electrode and the movable bias electrode are provided on the movable portion. Is preferred.
  • the movable drive electrode, the movable bias electrode, and the movable capacitance electrode are provided in the movable portion, by applying the bias voltage and the drive voltage, the opposing distance between the pair of capacitance electrodes can be easily controlled.
  • the movable range of the facing distance of the capacitive electrodes can be increased.
  • the movable portion is configured to have a first movable portion and a second movable portion connected by a link portion, and the first movable portion is formed of the first movable portion and the second movable portion.
  • a first connecting portion for connecting the movable portion of the first movable portion and the link portion; and a second connecting portion for connecting the second movable portion and the link portion to the second movable portion A portion is provided, and the link portion is a fulcrum portion connected to the link portion such that the second movable portion is separated from the fixed portion when the first movable portion approaches the fixed portion.
  • the fulcrum is a position where the distance between the second connection and the fulcrum is longer than the distance between the first connection and the fulcrum.
  • the movable capacitive electrode is provided on the second movable portion. It is preferable that.
  • the first movable portion and the second movable portion move in the opposite direction with respect to the fixed portion with the fulcrum as a fulcrum. Therefore, by applying a bias voltage between the fixed bias electrode and the movable bias electrode in the initial state, the opposing distance between the pair of capacitive electrodes can be changed in the direction opposite to the direction to be changed by the drive voltage. . Further, since the ratio between the displacement amount of the first movable portion and the displacement amount of the second movable portion changes depending on the position where the fulcrum portion is provided, the second movable portion with respect to the displacement amount of the first movable portion Displacement amount of the Therefore, it is possible to further increase the movable range of the facing distance of the capacitive electrodes.
  • the fixed portion is configured to have a first fixed portion and a second fixed portion, and the first fixed portion and the second fixed portion are movable portions.
  • the first fixed portion is provided with the fixed bias electrode and the fixed drive electrode, and the second fixed portion is provided with the fixed capacitance electrode. Is preferred.
  • the fixed portion is configured to have a first fixed portion and a second fixed portion, and the first fixed portion and the second fixed portion are movable.
  • the first fixed portion is provided with one of the fixed bias electrode and the fixed drive electrode, and the fixed capacitance electrode.
  • the other of the fixed bias electrode and the fixed drive electrode is provided in the fixed part of According to this, the facing area of the pair of capacitive electrodes can be increased, and the capacitance between the capacitive electrodes can be increased.
  • the area of the fixed bias electrode or the fixed drive electrode can be increased. Since the magnitude of electrostatic force is proportional to the electrode area, a lower bias voltage or drive voltage can increase or displace the movable range of the opposing distance between the capacitive electrodes.
  • variable capacitance capacitor capable of increasing the variable range of the facing distance of the capacitance electrodes.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 2 and viewed in the direction of the arrow. It is a graph which shows the relationship between a drive voltage and a capacity
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of the variable capacitance capacitor 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view for explaining the variable capacitance capacitor 10 of the first embodiment.
  • the variable capacitance capacitor 10 is configured to have a fixed portion 20, a first movable portion 30, and a second movable portion 40.
  • the first movable portion 30 and the second movable portion 40 are connected by the link portion 50.
  • the link part 50 is provided in two places by the link part 50a and the link part 50b.
  • the link portion 50 a is connected to the first connecting portion 36 a provided to the first movable portion 30 and is provided at the X1 side end of the second movable portion 40.
  • the second connecting portion 46 a and the third connecting portion 47 a are connected.
  • the link part 50b is provided in point symmetry with the link part 50a.
  • first movable portion 30 and the second movable portion 40 are connected by the link portion 50a and the link portion 50b. Furthermore, an auxiliary link portion 51 for supporting the link portion 50 to support the first movable portion 30 and the second movable portion 40 is provided.
  • the joint support portions 26a, 26b, 27a, 27b formed in the fixed portion 20 are joined to the joint portions 65a, 65b, 66a, 66b, whereby the first movable portion 30 and the first movable portion 30 are formed.
  • the two movable parts 40 and the fixed part 20 are joined.
  • the joint portions 65a and 65b and the link portions 50a and 50b are connected by fulcrum portions 60a and 60b, and the link portions 50a and 50b are pivotable about the fulcrum portions 60a and 60b as fulcrums. It is provided.
  • link portions 50a and 50b are provided.
  • the auxiliary link portion 51 is connected to a fulcrum portion 61 provided at the joint portion 65a, and can be interlocked with the link portions 50a and 50b.
  • the first movable portion 30 and the second movable portion 40 are minute.
  • the length of the first movable portion 30 in the X1-X2 direction is 1 mm or less
  • the length in the Y1-Y2 direction is 0.1. It is 8 mm or less.
  • the thickness dimension is 0.1 mm or less.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the operation of the first movable portion 30 and the second movable portion 40 and is a cross-sectional view when cut along the line III-III in FIG. 2 and viewed from the arrow direction It is.
  • FIG. 3A is a state in which an electrostatic force is not applied
  • FIG. 3B is a cross-sectional view in a state in which a bias voltage is applied and displaced.
  • the distance D1 ′ between the first movable portion 30 and the fixed portion 20 is the distance between the second movable portion 40 and the fixed portion 20.
  • the first movable portion 30 and the second movable portion 40 stand still in a state where they become substantially equal to D2 '.
  • the variable capacitance capacitor 10 is configured to include one pair of capacitance electrodes, one pair of drive electrodes, and one pair of bias electrodes.
  • the fixed bias electrode 23 and the fixed capacitance electrode 24 are provided in the region of the fixed portion 20 opposed to the second movable portion 40, and the second movable member opposed to the fixed portion 20 is provided.
  • the movable bias electrode 33 and the movable capacitance electrode 34 are formed in the portion 40.
  • the fixed drive electrode 25 is formed on the fixed portion 20, and the movable drive electrode 35 is formed on the first movable portion 30.
  • the first movable portion 30 is a conductive material, and the material of the first movable portion 30 functions as the movable drive electrode 35.
  • the second movable portion 40 is a conductive material, and the material of the second movable portion 40 functions as the movable bias electrode 33 and the movable capacitance electrode 34.
  • the movable bias electrode 33 and the movable capacitance electrode 34 are formed of a common movable electrode.
  • the opposing surface is formed to be flat so that the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 form a parallel flat plate.
  • the facing surface of the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 has a flat region perpendicular to the Z1-Z2 direction which is the movable direction, and is displaced in the Z1-Z2 direction in parallel with the flat region. At any position in the variable range in the Z1-Z2 direction, the capacitive electrode maintains the parallel plate state.
  • parallel plate is an expression representing the physical principle of a capacitor, and is not limited to a strictly parallel state.
  • a control unit (not shown) for controlling the electric capacity is connected to the variable capacitance capacitor 10, and a drive voltage for generating electrostatic force in the fixed drive electrode 25 and the movable drive electrode 35, and a fixed bias electrode
  • a control unit supplies a bias voltage for generating an electrostatic force on the movable bias electrode 23 and the movable bias electrode 33.
  • the first movable portion 30 When a drive voltage is applied to the fixed drive electrode 25 and the movable drive electrode 35 which are a pair of drive electrodes, the first movable portion 30 is displaced in the Z2 direction by electrostatic force and is connected by the link portions 50a and 50b.
  • the second movable portion 40 is displaced in the Z1 direction with the fulcrum portions 60a and 60b as fulcrums.
  • the first connecting portions 36a, 36b, the second connecting portions 46a, 46b, the third connecting portions 47a, 47b, and the fulcrum portions 60a, 60b, 61a, 61b are torsionally deformed.
  • the torsional deformation is an elastic deformation, and each connecting portion and the fulcrum portions 60a, 60b, 61a, 61b have a restoring force that tends to return to the torsional deformation.
  • the second movable portion 40 stands still at a position where the electrostatic force and the restoring force are balanced, and the capacitance formed by the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 at this time becomes the electric capacitance of the variable capacitance capacitor 10 .
  • the amount of displacement of the second movable portion 40 can be controlled by the balance between the electrostatic force and the restoring force generated by the drive voltage, and the electric capacitance of the variable capacitance capacitor 10 can be set to a desired value.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of the variable capacitance capacitor 10 when a bias voltage is applied between the fixed bias electrode 23 and the movable bias electrode 33. As shown in FIG. 3B, the application of a bias voltage generates an electrostatic force between the fixed bias electrode 23 and the movable bias electrode 33, and the second movable portion 40 is displaced in the Z2 direction.
  • the first movable portion 30 connected to the second movable portion 40 by the link portions 50a and 50b is displaced in the Z1 direction opposite to the second movable portion 40 with the fulcrum portions 60a and 60b as fulcrums.
  • the drive voltage is not applied, and the state where the bias voltage is applied is taken as an initial state.
  • the displacement amount of the second movable portion 40 in the initial state in which the bias voltage is applied is ⁇ D1
  • the displacement amount of the first movable portion 30 is ⁇ D2.
  • a drive voltage is applied to the fixed drive electrode 25 and the movable drive electrode 35 so that the first movable unit 30 moves in the direction of the fixed unit 20 (Z2 direction) in the state where the bias voltage is applied.
  • the second movable portion 40 comes to a standstill at a position where the electrostatic force generated by the drive voltage and the electrostatic force generated by the bias voltage and the restoring force of each connecting portion are balanced, and the fixed capacitance electrode at this time
  • the capacitance between the movable capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 is the electric capacitance of the variable capacitance capacitor 10.
  • the movable range of the first movable portion 30 by the drive voltage is in a state where no electrostatic force is applied due to the pull-in effect. Is limited to 1/3 of the inter-electrode distance (D1 'in FIG. 3A).
  • the variable capacitance capacitor 10 of the present embodiment by applying a bias voltage between the fixed bias electrode 23 and the movable bias electrode 33 in the initial state, the movable range of the second movable portion 40 is shown in FIG.
  • variable capacitance capacitor 10 of the present embodiment a bias voltage is applied between fixed bias electrode 23 and movable bias electrode 33 in the initial state, and movable capacitance electrode 34 is displaced by the drive voltage.
  • the movable capacitance electrode 34 can be displaced in the direction opposite to the direction.
  • the movable range of the facing distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 can be increased.
  • the electrostatic force by the bias voltage and the electrostatic force by the drive voltage Work in the direction in which Therefore, even when the drive voltage is small, the linearity between the displacement amount of the capacitive electrode and the drive voltage can be improved, and the movable range of the opposing distance between the pair of capacitive electrodes can be increased.
  • variable capacitance capacitor 10 of the present invention the variable range of the facing distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 can be enlarged.
  • a stopper (not shown) for limiting the movable range of the movable drive electrode 35 on at least one of the facing surfaces of the fixed drive electrode 25 and the movable drive electrode 35.
  • the stopper limits the displacement of the first movable portion 30 due to the drive voltage to one third or less of the inter-electrode distance (D1 ′ shown in FIG. 3A) from the electrode position in the absence of electrostatic force. It is preferable that it is provided. By providing the stopper, the displacement amount of the first movable portion 30 can be limited to one third or less of D1 ', and sticking of the drive electrodes due to the pull-in effect can be prevented.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between drive voltage and capacitance in the variable capacitance capacitor 10 of the embodiment.
  • the variable capacitance capacitor 10 of the present embodiment is a variable capacitance capacitor 10 configured as shown in FIGS.
  • the opposing area of the pair of capacitive electrodes is set to 9.5 ⁇ 10 ⁇ 8 m 2 , and the distance between the first movable portion 30 and the second movable portion 40 in the state where electrostatic force is not applied is 1.7 ⁇ It was 10 -6 m.
  • the position of the fulcrum portion 60a of the link portion 50a is the distance (L1) between the first connection portion 36a and the fulcrum portion 60a shown in FIG. 2 and the distance (L2) between the second connection portion 46a and the fulcrum portion 60a.
  • Ratio of L1: L2 1: 5.
  • 3.2 V was applied as a bias voltage between a pair of bias electrodes, and a voltage was applied between a pair of drive electrodes in a state where a bias voltage was applied to change the opposing distance between capacitive electrodes .
  • the result of having calculated the relationship between the drive voltage at that time and the capacitance between a pair of capacitive electrodes is shown in FIG.
  • the comparative example shows the result when the capacitance is changed without applying the bias voltage to the bias electrode as the same configuration as the variable capacitance capacitor 10 of the embodiment.
  • variable capacitance capacitors 10 of the present embodiment and the comparative example As shown in FIG. 4, in each of the variable capacitance capacitors 10 of the present embodiment and the comparative example, as the drive voltage is increased, the second movable portion 40 is displaced in the Z1 direction of FIG. Show a trend.
  • the variable capacitance capacitor of the comparative example has a small change in capacitance with respect to a change in drive voltage in a region where the drive voltage is small, and the linearity is poor. Therefore, a large capacity change range is not obtained.
  • the capacitance can be changed from 5.0 ⁇ 10 ⁇ 13 F to 1.6 ⁇ 10 ⁇ 13 F in the range of the drive voltage 0V to 23V.
  • the displacement amount ⁇ D1 of the first movable portion 30 due to the drive voltage is 1/3 or more of the distance D1 ′ between the fixed drive electrode 25 and the movable drive electrode 35 in FIG.
  • the pull-in effect occurs at a drive voltage of about 23 V or more, which makes measurement impossible.
  • variable capacitance capacitor 10 of the present embodiment the capacitance is 7.3 ⁇ 10 -13 F to 1.6 ⁇ 10 by changing the drive voltage from 0 to about 23 V as shown in FIG. 4. It can be changed to -13 F.
  • the variable capacitance range is larger than that of the comparative example in which the bias voltage is not applied, and it is shown that the variable capacitance range is large particularly in the low voltage region of about 0 to 10 V as the drive voltage.
  • variable capacitance capacitor 10 of the present embodiment it is possible to enlarge the change in capacitance by increasing the movable range of the opposing distance between the pair of capacitance electrodes.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first modified example of the variable capacitance capacitor 10 of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view cut at the same place as FIG. 3.
  • FIG. 5 (a) is in a state where no electrostatic force is applied, and
  • FIG. 5 (b) is in a state where a bias voltage is applied and displaced.
  • FIG. 5 (a) is in a state where no electrostatic force is applied
  • FIG. 5 (b) is in a state where a bias voltage is applied and displaced.
  • variable capacitance capacitor 10 of the first modified example shown in FIG. 5 the positions at which a pair of bias electrodes and a pair of drive electrodes are formed are different.
  • the movable drive electrode 35 is formed on the second movable portion 40
  • the fixed drive electrode 25 is formed on the fixed portion 20 at a position facing the movable drive electrode 35.
  • the movable bias electrode 33 is formed on the first movable portion 30, and the fixed bias electrode 23 is formed on the fixed portion 20 at a position facing the movable bias electrode 33.
  • variable range of the facing distance of the pair of capacitive electrodes can be enlarged.
  • the first movable portion 30 moves by ⁇ D1 in the Z2 direction.
  • the 2nd movable part 40 connected with the 1st movable part 30 by link part 50a, 50b moves (DELTA) D2 to Z2 direction. That is, the distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 in the initial state of the variable capacitance capacitor 10 increases, and the capacitance decreases.
  • the second movable portion 40 moves in the Z2 direction, and the first movable portion 30 moves in the reverse direction (Z1 direction). Therefore, also in this modification, the movable range of the facing distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 can be increased.
  • the displacement amount ⁇ D1 of the first movable portion 30 due to the bias voltage is limited to 1/3 of the inter-electrode distance D1 'shown in FIG. 5A due to the pull-in effect.
  • the first movable portion 30 and the second movable portion 40 are connected to the link portions 50a and 50b, and displacement with the fulcrum portions 60a and 60b provided on the link portions 50a and 50b becomes possible. . Therefore, the ratio between the displacement amount ⁇ D1 of the first movable portion 30 and the displacement amount ⁇ D2 of the second movable portion 40 changes depending on the position at which the fulcrum portions 60a and 60b are provided.
  • the ratio of .DELTA.D1 to .DELTA.D2 is the distance (L1) between the first connecting portions 36a, 36b and the fulcrum portions 60a, 60b shown in FIG. 2, and the second connecting portions 46a, 46b and the fulcrum portion 60a. , 60b and the distance (L2).
  • the distance (L2) between the second connection portions 46a and 46b and the fulcrum portions 60a and 60b is greater than the distance (L1) between the first connection portions 36a and 36b and the fulcrum portions 60a and 60b.
  • the fulcrum portions 60a and 60b are provided at positions where the length becomes long. Thereby, the displacement amount ⁇ D2 of the second movable portion 40 becomes larger than the displacement amount ⁇ D1 of the first movable portion 30. Therefore, the displacement amount of the second movable portion 40 which can be displaced by the drive voltage is increased, and therefore, the variable range of the facing distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 can be further enlarged.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the variable capacitance capacitor 10 in the second modified example of the first embodiment
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the variable capacitance capacitor 10 of the second modified example.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view in a state where no electrostatic force is applied
  • FIG. 7B is a cross-sectional view in a state where a bias voltage is applied and displaced.
  • the first connecting portions 36a and 36b are provided close to the end portions on the X1 side and the X2 side of the first movable portion 30.
  • the link portions 50a and 50b are formed to be longer than the variable capacitance capacitor 10 of FIGS. 1 to 3.
  • the positions of the fulcrum portions 60a and 60b are offset from the center of the first movable portion 30 and the second movable portion 40 in the X1-X2 direction.
  • the distance (L1) between the first connection portions 36a and 36b and the fulcrum portions 60a and 60b, and the distance (L2) between the second connection portions 46a and 46b and the fulcrum portions 60a and 60b It is possible to provide the positions of the fulcrum portions 60a, 60b so that the ratio of
  • the first movable portion 30 moves by ⁇ D1 toward the fixed portion 20, and the second The movable portion 40 moves in the reverse direction by ⁇ D2.
  • the first movable portion 30 and the second movable portion 40 are connected by the link portions 50a and 50b, and the ratio of ⁇ D1 to ⁇ D2 is substantially equal to the ratio of L1 to L2. Therefore, according to the present modification, the displacement amount ⁇ D2 of the second movable portion 40 in the initial state in which the bias voltage is applied can be increased by increasing the ratio of L1 and L2.
  • the movable range of the facing distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 can be further increased.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a third modification of the variable capacitance capacitor 10 of the present embodiment.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of the variable capacitance capacitor 10 in a state in which no electrostatic force is applied
  • FIG. 8B is a cross-sectional view in an initial state in which a bias voltage is applied as the electrostatic force.
  • a recess is formed in the fixed portion 20 so as to face the second movable portion 40, and the recess is fixed.
  • a capacitive electrode 24 and a fixed drive electrode 25 are formed.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of the variable capacitance capacitor 11 according to the second embodiment.
  • variable capacitance capacitor 11 of the present embodiment is configured to have a first movable portion 30 and a second movable portion 40 connected by the link portions 50a and 50b.
  • the first movable portion 30 and the second movable portion 40 are joined to the first fixed portion 21 via joining support portions 26a, 26b, 27a, 27b (only 27a is shown).
  • the 2nd fixed part 22 is provided facing the 1st movable part 30 and the 2nd movable part 40, and the 1st fixed part 21 and the 2nd fixed part 22 are the 1st
  • the movable portion 30 and the second movable portion 40 are disposed to be sandwiched.
  • the second fixed portion 22 has a function as a protection portion that protects the first movable portion 30 and the second movable portion 40.
  • the fixed bias electrode 23 and the fixed drive electrode 25 are provided in the first fixed portion 21, and the fixed capacitance electrode 24 is provided in the second fixed portion 22.
  • the fixed bias electrode 23 is provided at a position facing the first movable portion 30, and the fixed capacitance electrode 24 and the fixed drive electrode 25 are provided at a position facing the second movable portion 40.
  • the first movable portion 30 When a bias voltage is applied between the fixed bias electrode 23 and the movable bias electrode 33, the first movable portion 30 is displaced to the first fixed portion 21 side.
  • the second movable portion 40 connected by the first movable portion 30 and the link portions 50 a and 50 b is displaced toward the second fixed portion 22 in the opposite direction to the first movable portion 30. Therefore, in the state where the bias voltage is applied, the distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 is reduced, and the capacitance is increased. Then, when a drive voltage is applied between the fixed drive electrode 25 and the movable drive electrode 35, the second movable portion 40 is displaced to the first fixed portion 21 side.
  • the second movable portion 40 rests at a position where the mechanical restoring force and the electrostatic force of the bias voltage and the electrostatic force by the drive voltage are balanced, and the capacitance formed between the capacitive electrodes at this time is variable It becomes the electric capacity of the capacity capacitor 11.
  • a bias voltage is applied between the fixed bias electrode 23 and the movable bias electrode 33 in the initial state, and the movable capacitance is moved in the direction opposite to the direction in which the movable capacitance electrode 34 is displaced by the drive voltage.
  • the movable range of the facing distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 can be increased.
  • variable capacitance capacitor 11 of the present embodiment the variable range of the facing distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 can be enlarged.
  • the fixed capacitance electrode 24 and the fixed drive electrode 25 are separately provided in the first fixed portion 21 and the second fixed portion 22 which are disposed to face each other. . Therefore, the facing area of the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 can be formed larger as compared with the first embodiment.
  • the capacitance formed between the capacitive electrodes is proportional to the electrode area, so that a larger capacitance can be extracted as compared with the first embodiment, and the variable capacitance range becomes larger.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional view of the variable capacitance capacitor 12 in the third embodiment.
  • variable capacitance capacitor 12 in the third embodiment has a movable portion 80 and a first fixed portion 71 and a second fixed portion 72 which are disposed to face each other with the movable portion 80 interposed therebetween. And be configured.
  • the first fixed portion 71 is provided with the fixed capacitance electrode 24 and the fixed drive electrode 25, and the second fixed portion 72 is provided with the fixed bias electrode 23.
  • the movable portion 80 is connected to the first fixed portion 71 via a connecting portion 81 having a restoring force due to a spring, a twist or the like.
  • the movable portion 80 is provided with a movable bias electrode 33, a movable capacitance electrode 34, and a movable drive electrode 35 so as to face each fixed electrode.
  • variable capacitance capacitor 12 of the present embodiment when a bias voltage is applied in the initial state, the movable portion 80 is displaced to the second fixed portion 72 side.
  • a drive voltage is applied between the fixed drive electrode 25 and the movable drive electrode 35 in the state where the bias voltage is applied, the movable portion 80 is displaced to the first fixed portion 71 side. Then, the movable portion 80 stops at a position where the electrostatic force and the restoring force by the bias voltage and the electrostatic force by the drive voltage are balanced.
  • the capacitance value formed between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 at this time is the electric capacitance of the variable capacitance capacitor 12.
  • the movable portion 80 can be displaced by the bias voltage in the initial state, and the movable range of the facing distance between the fixed capacitance electrode 24 and the movable capacitance electrode 34 can be enlarged. Further, since the electrostatic force by the drive voltage and the electrostatic force by the bias voltage work to cancel each other, the linearity of the capacitance change with respect to the change of the drive voltage can be improved in the low voltage region. In addition, since the movable drive electrode 35, the movable bias electrode 33, and the movable capacitance electrode 34 are provided on the same movable portion 80, the bias voltage and the drive voltage are applied to set the opposing distance between the pair of capacitance electrodes. The movable range of the facing distance of the capacitive electrodes can be enlarged by easy control.

Abstract

【課題】本発明は、容量電極の対向距離の可変範囲を大きくすることが可能な可変容量コンデンサを提供することを目的とする。 【解決手段】本発明は、互いに対向して設けられた１対の容量電極２４、３４と、１対の容量電極２４、３４の対向間隔を変化させるための駆動電圧が与えられる１対の駆動電極２５、３５と、を有する可変容量コンデンサ１０において、１対の容量電極２４、３４の対向間隔を前記駆動電圧による変化方向と反対方向に変化させるためのバイアス電圧が与えられる１対のバイアス電極２３、３３を有することを特徴とする。

Description

可変容量コンデンサ
　本発明は、可変容量コンデンサに関し、特に、電圧の印加により１対の容量電極間の対向間隔が変化する可変容量コンデンサに関する。
　携帯電話機などの携帯機器において、発振回路や制御回路に可変容量コンデンサを使用することにより、部品点数を削減して機器の小型化を図ることが期待されている。
　このような可変容量コンデンサは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる微小デバイス技術によって大量生産することが可能である。ＭＥＭＳは小型化に適していて、大量生産すれば比較的安価な製品にすることができるので、携帯機器の小型化や高性能化に寄与することが期待される。さらに、携帯電話に使用されている周波数帯域は７００ＭＨｚ～２．５ＧＨｚ等の広い帯域であるため、最小の電気容量に対して最大の電気容量が１０倍程度の可変比を有する可変容量コンデンサが要望されている。
　図１１は、特許文献１に記載されている従来例の可変容量コンデンサの斜視図である。図１１に示すように、固定部１２０と可動部１３０とが間隔を設けて対向配置されている。可動部１３０の中央部に２箇所梁１５０が設けられて固定部１２０と固定されており、可動部１３０は梁１５０のねじれによって回転可能になっている。固定部１２０には、固定電極として駆動電極１２１と容量電極１２２とが、可動部１３０に対向して設けられている。可動部１３０の裏面には、駆動電極１２１及び容量電極１２２と対向する共通電極として可動電極１３１が形成されている。
　駆動電極１２１と可動電極１３１との間に駆動電圧を印加すると、駆動電極１２１と可動電極１３１との間に電位差が生じて、静電力（ク－ロン力）が発生する。この静電力により、可動部１３０は梁１５０を回転軸として駆動電極１２１に引き寄せられる。これにより、容量電極１２２と可動電極１３１との距離は大きくなる方向に変化するため、容量電極１２２と可動電極１３１とで形成される静電容量が変化する。可動部１３０は、ク－ロン力と梁１５０のねじれに対する復元力とが均衡する位置まで変位して静止する。よって、駆動電極１２１と可動電極１３１との間に印加する電圧値によって、可動部１３０の変位する位置を変えることができ、所望の静電容量値に調整することができる。
特開平９－１５３４３６号公報
　しかしながら、可変容量範囲を大きくするために、静電力の無い状態の可動部１３０と駆動電極１２１との対向間隔の３分の１以上に、可動部１３０の可変範囲を大きく変化させようとすると、静電力と復元力との均衡を保つことができなくなる。よって、可動部１３０が固定部１２０に引っ張られて接触した状態となり、もとの状態に復帰できなくなる。これはプルイン効果と呼ばれる現象で、静電駆動方式の可変範囲に制限を与えている。
　ここで、可動部１３０と駆動電極１２１との間に駆動電圧が印加されていない位置を初期状態と定義する。可変範囲を大きくする方法として、図１１に示すように、駆動電極１２１の位置と比較して、容量電極１２２を梁１５０からＸ２方向に離して配置しなければならなかった。従来の可変容量コンデンサ１１０において、より大きな可変範囲を得るためには、容量電極１２２と梁１５０との配置を離さなければならないので、全体の寸法が大きくなってしまう。容量電極１２２と梁１５０との配置を離す方法は、機器の小型化に反し、好ましくない。
　また、可動部１３０の位置は、静電力と梁１５０のねじれによる復元力との釣り合いによって決められる。しかしながら、静電力は、電圧の２乗に比例し、電極間の距離の２乗に反比例する。このため、駆動電圧が小さい場合においては駆動電圧の変化に対して可動部１３０の変位量が小さくなり、可動部１３０と容量電極１２２との対向間隔の制御可能な可変範囲が制限されている。
　以上のように、従来例の可変容量コンデンサ１１０において、容量電極１２２の対向間隔の可変範囲を大きくすることは実用上困難であった。
　本発明は、上記課題を解決して、容量電極の対向間隔の可変範囲を大きくすることが可能な可変容量コンデンサを提供することを目的とする。
　本発明の可変容量コンデンサは、互いに対向して設けられた１対の容量電極と、前記１対の容量電極の対向間隔を変化させるための駆動電圧が与えられる１対の駆動電極と、を有する可変容量コンデンサにおいて、前記１対の容量電極の対向間隔を前記駆動電圧による変化方向と反対方向に変化させるためのバイアス電圧が与えられる１対のバイアス電極を有することを特徴とする。
　これによれば、駆動電圧を印加していない初期状態において１対のバイアス電極の間にバイアス電圧を印加して、１対の容量電極の対向間隔を前記駆動電圧による変化方向と反対方向に変化させることができる。よって、初期状態において１対のバイアス電極の間にバイアス電圧を印加することにより、駆動電圧により変化させることができる１対の容量電極の対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。
　さらに、駆動電圧により１対の容量電極の対向間隔を変化させる場合において、バイアス電圧による静電力と駆動電圧による静電力とが相殺される方向に働く。よって、駆動電圧が小さい場合であっても、容量電極の変位量と駆動電圧との線形性を向上させることができ、１対の容量電極の対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。
　したがって、本発明の可変容量コンデンサによれば、容量電極の対向間隔の可変範囲を大きくすることが可能である。
　本発明の可変容量コンデンサにおいて、前記１対の容量電極は、固定部に設けられた固定容量電極と可動部に設けられた可動容量電極とを有し、前記１対の駆動電極は、固定駆動電極と可動駆動電極とを有し、前記１対のバイアス電極は、固定バイアス電極と可動バイアス電極とを有して構成されており、前記可動駆動電極及び前記可動バイアス電極は前記可動部に設けられていることが好適である。これによれば可動駆動電極、可動バイアス電極、及び可動容量電極が可動部に設けられているため、バイアス電圧及び駆動電圧を印加することにより、１対の容量電極の対向間隔を容易に制御して、容量電極の対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。
　本発明の可変容量コンデンサにおいて、前記可動部は、リンク部によって連結された第１の可動部及び第２の可動部を有して構成されており、前記第１の可動部には、前記第１の可動部と前記リンク部とを連結する第１の連結部が設けられており、前記第２の可動部には、前記第２の可動部と前記リンク部とを連結する第２の連結部が設けられており、前記リンク部は、前記第１の可動部が前記固定部に接近するとき前記第２の可動部が前記固定部から離れるように、前記リンク部に連結された支点部を支点として回動可能に設けられており、前記支点部は、前記第１の連結部と前記支点部との距離よりも、前記第２の連結部と前記支点部との距離が長くなる位置に設けられているとともに、前記可動容量電極は前記第２の可動部に設けられていることが好適である。
　これによれば、第１の可動部と第２の可動部とが、支点部を支点として固定部に対して逆方向に移動する。よって、初期状態において固定バイアス電極と可動バイアス電極との間にバイアス電圧を印加することにより、駆動電圧により変化させる方向とは逆の方向に１対の容量電極の対向間隔を変化させることができる。また、第１の可動部の変位量と第２の可動部の変位量との比は、支点部を設ける位置によって変化するため、第１の可動部の変位量に対して第２の可動部の変位量が大きくなる。よって、容量電極の対向間隔の可動範囲をより大きくすることが可能である。
　本発明の可変容量コンデンサにおいて、前記固定部は、第１の固定部と第２の固定部とを有して構成され、第１の固定部と第２の固定部とは、前記可動部を挟むように対向して配置されており、前記第１の固定部には、前記固定バイアス電極及び前記固定駆動電極が設けられており、前記第２の固定部には、前記固定容量電極が設けられていることが好ましい。
　また、本発明の可変容量コンデンサにおいて、前記固定部は、第１の固定部と第２の固定部とを有して構成され、第１の固定部と第２の固定部とは、前記可動部を挟むように対向して配置されており、前記第１の固定部には、前記固定バイアス電極及び前記固定駆動電極のいずれか一方と、前記固定容量電極が設けられており、前記第２の固定部には、前記固定バイアス電極及び前記固定駆動電極のいずれか他方が設けられていることが好ましい。
これによれば、１対の容量電極の対向面積を大きくすることができ、容量電極間の容量を大きくすることができる。また、固定バイアス電極または固定駆動電極についても面積を大きくできる。静電力の大きさは電極面積に比例するため、より低いバイアス電圧又は駆動電圧により、容量電極間の対向間隔の可動範囲を大きくする、又は変位させることが可能である。
　本発明によれば、容量電極の対向間隔の可変範囲を大きくすることが可能な可変容量コンデンサを提供することができる。
本発明の第１の実施形態における可変容量コンデンサの分解斜視図である。 第１の実施形態における可変容量コンデンサの平面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの断面図である。 実施例における、駆動電圧と容量との関係を示すグラフである。 第１の実施形態の可変容量コンデンサの第１の変形例を示す断面図である。 第２の変形例における可変容量コンデンサの分解斜視図である。 第２の変形例における可変容量コンデンサの断面図である。 第３の変形例における可変容量コンデンサの断面図である。 第２の実施形態における可変容量コンデンサの断面図である。 第３の実施形態における可変容量コンデンサの断面図である。 従来例の可変容量コンデンサを示す斜視図である。
　以下、本発明の実施形態の可変容量コンデンサについて図面を用いて詳細に説明する。なお、各図面の寸法は適宜変更して示している。
＜第１の実施形態＞
　図１は、第１の実施形態の可変容量コンデンサ１０の分解斜視図である。図２は、第１の実施形態の可変容量コンデンサ１０を説明する平面図である。
　図１に示すように本実施形態の可変容量コンデンサ１０は、固定部２０と、第１の可動部３０と、第２の可動部４０とを有して構成されている。第１の可動部３０と第２の可動部４０とは、リンク部５０によって連結されている。図１及び図２に示すように、リンク部５０は、リンク部５０ａとリンク部５０ｂとで２箇所に設けられている。図２に示すように、リンク部５０ａは、第１の可動部３０に設けられた第１の連結部３６ａに連結されるとともに、第２の可動部４０のＸ１側端部に設けられた第２の連結部４６ａ及び第３の連結部４７ａに連結されている。また、リンク部５０ｂは、リンク部５０ａと点対称に設けられている。このように、リンク部５０ａ、及びリンク部５０ｂによって、第１の可動部３０と第２の可動部４０とが連結されている。さらに、リンク部５０を補助して第１の可動部３０及び第２の可動部４０を支持するための補助リンク部５１が設けられている。
　図１に示すように、固定部２０に形成された接合支持部２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂは、接合部６５ａ、６５ｂ、６６ａ、６６ｂと接合され、これにより、第１の可動部３０及び第２の可動部４０と固定部２０とが接合される。図２に示すように、接合部６５ａ、６５ｂとリンク部５０ａ、５０ｂとは、支点部６０ａ、６０ｂで連結しており、リンク部５０ａ、５０ｂは支点部６０ａ、６０ｂを支点として回動可能に設けられている。すなわち、第１の可動部３０がＺ２方向に変位して固定部２０に接近するとき第２の可動部４０が固定部２０から離れるようにＺ１方向に変位し、または、その逆の動作が可能なようにリンク部５０ａ、５０ｂが設けられている。なお、補助リンク部５１は接合部６５ａに設けられた支点部６１と連結されて、リンク部５０ａ、５０ｂと連動可能となっている。
　第１の可動部３０及び第２の可動部４０は微小であり、たとえば、第１の可動部３０のＸ１－Ｘ２方向の長さは１ｍｍ以下であり、Ｙ１－Ｙ２方向の長さは０．８ｍｍ以下である。さらに、厚み寸法は０．１ｍｍ以下である。
　図３は、第１の可動部３０及び第２の可動部４０の動作を説明するための断面図であって、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線で切断して矢印方向から見たときの断面図である。図３（ａ）は静電力が与えられていない状態であり、図３（ｂ）はバイアス電圧が印加されて変位した状態での断面図である。
　図３（ａ）に示すように、静電力が与えられていない状態では、第１の可動部３０と固定部２０との間隔Ｄ１’が、第２の可動部４０と固定部２０との間隔Ｄ２’とほぼ等しくなるような状態で、第１の可動部３０と第２の可動部４０とが静止する。
　図３（ａ）に示すように、本実施形態の可変容量コンデンサ１０は、１対の容量電極と、１対の駆動電極と、１対のバイアス電極を有して構成されている。図３（ａ）に示すように、第２の可動部４０と対向する固定部２０の領域に固定バイアス電極２３と固定容量電極２４が設けられており、固定部２０と対向する第２の可動部４０には可動バイアス電極３３と可動容量電極３４とが形成されている。また、第１の可動部３０と対向する位置において、固定部２０には固定駆動電極２５が形成され、第１の可動部３０には可動駆動電極３５が形成されている。
なお、第１の可動部３０は導電性材料であり、第１の可動部３０の材料が可動駆動電極３５として機能している。同様に、第２の可動部４０は導電性材料であり、第２の可動部４０の材料が可動バイアス電極３３及び可動容量電極３４として機能している。可動バイアス電極３３及び可動容量電極３４は共通の可動電極から構成される。
　また、固定容量電極２４と可動容量電極３４とが平行平板を形成するように対向面が平面に形成されている。固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向面は、可動方向であるＺ１－Ｚ２方向に垂直な平面領域を有し、平面領域に平行状態でＺ１－Ｚ２方向に変位する。Ｚ１－Ｚ２方向の可変範囲のいずれの位置においても、容量電極は平行平板の状態を維持している。なお、ここで言う「平行平板」とはコンデンサの物理的原理を表わす表現であり、厳密な平行状態に限定されない。
　可変容量コンデンサ１０には、電気容量を制御するための制御部（図示しない）が接続されて、固定駆動電極２５と可動駆動電極３５とに静電力を発生させるための駆動電圧、及び固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３とに静電力を発生させるためのバイアス電圧が制御部から与えられる。
　１対の駆動電極である固定駆動電極２５と可動駆動電極３５とに駆動電圧が与えられると、静電力により第１の可動部３０はＺ２方向に変位し、リンク部５０ａ、５０ｂにより連結された第２の可動部４０は支点部６０ａ、６０ｂを支点としてＺ１方向に変位する。このとき、第１の連結部３６ａ、３６ｂ、第２の連結部４６ａ、４６ｂ、第３の連結部４７ａ、４７ｂ、及び支点部６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂは、ねじれ変形する。このねじれ変形は弾性変形であって、各連結部及び支点部６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂは、ねじれ変形に対して元に戻ろうとする復元力を有している。静電力と復元力とが釣り合った位置で第２の可動部４０は静止し、このときの固定容量電極２４と可動容量電極３４とで形成される容量が、可変容量コンデンサ１０の電気容量となる。このように、駆動電圧により生じる静電力と復元力との均衡によって第２の可動部４０の変位量を制御して、可変容量コンデンサ１０の電気容量を所望の値とすることができる。
　本実施形態の可変容量コンデンサ１０において、固定部２０の第２の可動部４０と対向する位置に固定バイアス電極２３が設けられている。また、第２の可動部４０には、可動バイアス電極３３が設けられている。図３（ｂ）には、固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３との間にバイアス電圧が加えられたときの可変容量コンデンサ１０の断面図を示す。図３（ｂ）に示すように、バイアス電圧が加えられることで固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３との間に静電力が発生して、第２の可動部４０はＺ２方向に変位する。そして、リンク部５０ａ、５０ｂによって第２の可動部４０と連結された第１の可動部３０は、支点部６０ａ、６０ｂを支点として第２の可動部４０と逆方向のＺ１方向に変位する。本実施形態において、駆動電圧が印加されておらず、バイアス電圧を印加した状態を初期状態とする。また、図３（ｂ）に示すように、バイアス電圧を印加した初期状態における第２の可動部４０の変位量をΔＤ１、第１の可動部３０の変位量をΔＤ２とする。
　バイアス電圧を印加した状態で、第１の可動部３０が固定部２０方向（Ｚ２方向）に移動するように、固定駆動電極２５と可動駆動電極３５とに駆動電圧が与えられる。これにより、第２の可動部４０は、駆動電圧により生じる静電力と、バイアス電圧により生じる静電力及び各連結部等の復元力と、が均衡する位置で静止して、このときの固定容量電極２４と可動容量電極３４との間の容量が可変容量コンデンサ１０の電気容量となる。
　従来例のように、固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３とにバイアス電圧を印加しない場合、駆動電圧による第１の可動部３０の可動範囲は、プルイン効果により、静電力が与えられていない状態の電極間距離（図３（ａ）のＤ１’）の１／３に制限されている。本実施形態の可変容量コンデンサ１０によれば、初期状態で固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３との間にバイアス電圧を印加することにより、第２の可動部４０の可動範囲は図３（ｂ）のΔＤ１の大きさだけ大きくなる。また、リンク部５０ａ、５０ｂにより連結された第１の可動部３０において、プルイン効果から、静電力が与えられていない状態の電極間距離Ｄ１’の１／３まで変位させることができるため、可動範囲は図３（ｂ）に示すΔＤ２の分だけ大きくなる。これにより、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可動範囲が大きくなる。
　以上のように、本実施形態の可変容量コンデンサ１０によれば、初期状態において固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３との間にバイアス電圧を印加して、駆動電圧により可動容量電極３４が変位する方向とは逆方向に可動容量電極３４を変位させることができる。これにより、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。
　さらに、バイアス電圧を印加した状態で、駆動電圧により１対の容量電極である固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔を変化させる場合において、バイアス電圧による静電力と駆動電圧による静電力とが相殺される方向に働く。よって、駆動電圧が小さい場合であっても、容量電極の変位量と駆動電圧との線形性を向上させることができ、１対の容量電極の対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。
　したがって、本発明の可変容量コンデンサ１０によれば、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可変範囲を大きくすることが可能である。
　なお、固定駆動電極２５と可動駆動電極３５との対向する面の少なくとも一方に、可動駆動電極３５の可動範囲を制限するストッパ（図示しない）を設けることも可能である。
　ストッパは、駆動電圧による第１の可動部３０の変位量が、静電力がない状態での電極位置から、電極間距離（図３（ａ）に示すＤ１’）の３分の１以下に制限されるように設けられていることが好ましい。ストッパを設けることによって、第１の可動部３０の変位量をＤ１’の３分の１以下に制限して、プルイン効果による駆動電極どうしの貼りつきを防ぐことができる。
　次に、本実施形態の可変容量コンデンサ１０の実施例について、比較例と比較して説明する。図４は実施例の可変容量コンデンサ１０における、駆動電圧と容量の関係を示すグラフである。本実施例の可変容量コンデンサ１０は、図１～３に示すような構成の可変容量コンデンサ１０とした。１対の容量電極の対向面積を９．５×１０－８ｍ２として、静電力が加えられない状態での第１の可動部３０と第２の可動部４０との距離を１．７×１０－６ｍとした。また、リンク部５０ａの支点部６０ａの位置は、図２に示す第１の連結部３６ａと支点部６０ａとの距離（Ｌ１）と第２の連結部４６ａと支点部６０ａとの距離（Ｌ２）との比が、Ｌ１：Ｌ２＝１：５となるように設けた。リンク部５０ｂの支点部６０ｂの位置も同様とした。１対のバイアス電極間にはバイアス電圧として３．２Ｖが印加されており、バイアス電圧を印加した状態で１対の駆動電極間に電圧を印加して、容量電極間の対向間隔を変化させた。そのときの駆動電圧と、１対の容量電極間の容量をとの関係を算出した結果を、図４に示す。なお、比較例は、実施例の可変容量コンデンサ１０と同様の構成として、バイアス電極にバイアス電圧を印加せずに容量を変化させたときの結果を示す。
　図４に示すように、本実施例及び比較例の可変容量コンデンサ１０は、いずれも、駆動電圧を大きくするに従って、第２の可動部４０が図３のＺ１方向に変位して容量が小さくなる傾向を示す。比較例の可変容量コンデンサは、駆動電圧が小さい領域において、駆動電圧の変化に対する容量の変化が小さく、線形性が悪くなっている。そのため、大きな容量変化範囲が得られていない。比較例の可変容量コンデンサにおいては、駆動電圧０Ｖ～２３Ｖの範囲で、容量を５．０×１０－１３Ｆ～１．６×１０－１３Ｆまで変化させることが可能である。なお、本実施例及び比較例ともに、駆動電圧による第１の可動部３０の変位量ΔＤ１が、図３（ａ）の固定駆動電極２５と可動駆動電極３５との距離Ｄ１’の１／３以上になると、プルイン効果が発生する。本実施例及び比較例では、駆動電圧約２３Ｖ以上でプルイン効果が発生して、測定不能となる。
　これに対し、本実施例の可変容量コンデンサ１０においては、図４に示すように駆動電圧を０～約２３Ｖまで変化させることで、容量を７．３×１０－１３Ｆ～１．６×１０－１３Ｆまで変化させることができる。バイアス電圧を印加しない比較例よりも可変容量範囲が大きくなっており、特に駆動電圧が０～１０Ｖ程度の低い電圧の領域において、可変容量範囲が大きくなっていることが示されている。
　これは、初期状態において固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３との間にバイアス電圧を印加して、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可動範囲を大きくしたためである。さらに、バイアス電圧による静電力と駆動電圧による静電力とが相殺される方向に働くため、駆動電圧が小さい場合であっても、容量電極の変位量と駆動電圧との線形性を向上させることができる。よって本実施例の可変容量コンデンサ１０において、１対の容量電極の対向間隔の可動範囲を大きくして、容量変化を大きくすることが可能であると示された。
　図５は、第１の実施形態の可変容量コンデンサ１０の第１の変形例を示す断面図である。図５は、図３と同様の箇所で切断した断面図であり、図５（ａ）は静電力が与えられていない状態、図５（ｂ）はバイアス電圧が印加されて変位した状態での断面図である。
　図５に示す第１の変形例の可変容量コンデンサ１０において、１対のバイアス電極及び１対の駆動電極を形成する位置が異なっている。図５に示すように、可動駆動電極３５が第２の可動部４０に形成されて、可動駆動電極３５と対向する位置において固定部２０に固定駆動電極２５が形成されている。また、可動バイアス電極３３は第１の可動部３０に形成されており、可動バイアス電極３３と対向する位置において、固定部２０に固定バイアス電極２３が形成されている。
　このような態様であっても１対の容量電極の対向間隔の可変範囲を大きくすることができる。図５（ｂ）に示すように、固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３との間にバイアス電圧を印加すると、第１の可動部３０はＺ２方向にΔＤ１移動する。そして、リンク部５０ａ、５０ｂにより第１の可動部３０と連結された第２の可動部４０はＺ２方向にΔＤ２移動する。すなわち、可変容量コンデンサ１０の初期状態における固定容量電極２４と可動容量電極３４との距離が大きくなり、容量が小さくなる。そして、バイアス電圧が印加された状態で固定駆動電極２５と可動駆動電極３５との間に駆動電圧が印加されると、第２の可動部４０がＺ２方向に移動して、第１の可動部３０は逆方向（Ｚ１方向）に移動する。よって、本変形例においても、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。
　なお、バイアス電圧による第１の可動部３０の変位量ΔＤ１は、プルイン効果のために図５（ａ）に示す電極間距離Ｄ１’の１／３に制限される。しかし、第１の可動部３０と第２の可動部４０とはリンク部５０ａ、５０ｂに連結されて、リンク部５０ａ、５０ｂに設けられた支点部６０ａ、６０ｂを支点とした変位が可能になる。そのため、第１の可動部３０の変位量ΔＤ１と第２の可動部４０の変位量ΔＤ２との比は、支点部６０ａ、６０ｂを設ける位置によって変化する。具体的には、ΔＤ１とΔＤ２との比は、図２に示す第１の連結部３６ａ、３６ｂと支点部６０ａ、６０ｂとの距離（Ｌ１）と第２の連結部４６ａ、４６ｂと支点部６０ａ、６０ｂとの距離（Ｌ２）との比を変えることで制御される。
　本実施形態においては、第１の連結部３６ａ、３６ｂと支点部６０ａ、６０ｂとの距離（Ｌ１）よりも、第２の連結部４６ａ、４６ｂと支点部６０ａ、６０ｂとの距離（Ｌ２）が長くなる位置に支点部６０ａ、６０ｂを設けている。これにより、第１の可動部３０の変位量ΔＤ１に対して第２の可動部４０の変位量ΔＤ２が大きくなる。よって、駆動電圧により変位可能な第２の可動部４０の変位量が大きくなるため、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可変範囲をより大きくすることが可能である。
　図６は、第１の実施形態の第２の変形例における可変容量コンデンサ１０の分解斜視図であり、図７は、第２の変形例の可変容量コンデンサ１０の断面図である。図７（ａ）は静電力が与えられていない状態、図７（ｂ）はバイアス電圧が印加されて変位した状態での断面図である。
　図６及び図７に示す第２の変形例の可変容量コンデンサ１０では、第１の連結部３６ａ、３６ｂが第１の可動部３０のＸ１側及びＸ２側の端部に近づけて設けられており、リンク部５０ａ、５０ｂの長さが図１から図３の可変容量コンデンサ１０に比べて長くなるように形成されている。また、支点部６０ａ、６０ｂの位置が第１の可動部３０及び第２の可動部４０のＸ１－Ｘ２方向の中央部からずらして設けられている。本変形例によれば、第１の連結部３６ａ、３６ｂと支点部６０ａ、６０ｂとの距離（Ｌ１）と、第２の連結部４６ａ、４６ｂと支点部６０ａ、６０ｂとの距離（Ｌ２）との比がより大きくなるように支点部６０ａ、６０ｂの位置を設けることが可能である。
　図７（ｂ）に示すように、固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３との間にバイアス電圧を印加したときに、第１の可動部３０が固定部２０側にΔＤ１だけ移動し、第２可動部４０は逆方向にΔＤ２だけ移動する。第１の可動部３０と第２の可動部４０とは、リンク部５０ａ、５０ｂによって連結されており、ΔＤ１とΔＤ２との比は、Ｌ１とＬ２との比とほぼ等しい大きさとなる。よって、本変形例によれば、Ｌ１とＬ２との比を大きくすることにより、バイアス電圧を印加した初期状態における第２の可動部４０の変位量ΔＤ２を大きくすることができる。よって、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可動範囲をより大きくすることができる。
　図８は、本実施形態の可変容量コンデンサ１０の第３の変形例を示す断面図である。図８（ａ）は静電力が与えられていない状態の可変容量コンデンサ１０の断面図であり、（ｂ）は静電力としてバイアス電圧が印加された初期状態の断面図を示す。図８（ａ）に示すように、第３の変形例の可変容量コンデンサ１０においては、第２の可動部４０と対向するように、固定部２０に凹部が形成されており、凹部において、固定容量電極２４及び固定駆動電極２５が形成されている。
　したがって、初期状態における固定容量電極２４及び固定駆動電極２５と第２の可動部との対向間隔が、固定部２０に形成された凹部の深さの応じて大きくなる。よって固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可動範囲をより大きくすることができる。また、図８の固定部２０の構成以外にも、固定バイアス電極２３を形成する位置に凹部を設けた場合には、バイアス電圧を印加した状態における１対のバイアス電極の変位量を大きくすることが可能である。
＜第２の実施形態＞
　図９には、第２の実施形態における可変容量コンデンサ１１の断面図を示す。なお、第１の実施形態と同様の構成部材については、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態の可変容量コンデンサ１１は、リンク部５０ａ、５０ｂによって連結された第１の可動部３０及び第２の可動部４０を有して構成されている。第１の可動部３０及び第２の可動部４０は接合支持部２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ（２７ａのみ図示する）を介して第１の固定部２１に接合されている。そして、第１の可動部３０及び第２の可動部４０と対向して第２の固定部２２が設けられており、第１の固定部２１と第２の固定部２２とは、第１の可動部３０及び第２の可動部４０を挟むように配置されている。第２の固定部２２は、第１の可動部３０及び第２の可動部４０を保護する保護部としての機能を有している。
　図９に示すように、第１の固定部２１には、固定バイアス電極２３及び固定駆動電極２５が設けられており、第２の固定部２２には、固定容量電極２４が設けられている。固定バイアス電極２３は第１の可動部３０と対向する位置に設けられており、固定容量電極２４及び固定駆動電極２５は第２の可動部４０と対向する位置に設けられている。
　固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３との間にバイアス電圧を印加すると、第１の可動部３０は、第１の固定部２１側に変位する。第１の可動部３０とリンク部５０ａ、５０ｂによって連結された第２の可動部４０は、第１の可動部３０とは逆方向の第２の固定部２２側に変位する。よって、バイアス電圧を印加した状態において固定容量電極２４と可動容量電極３４との距離が小さくなり、容量が大きくなる。そして、固定駆動電極２５と可動駆動電極３５との間に駆動電圧を印加すると、第２の可動部４０が第１の固定部２１側に変位する。第２の可動部４０は、機械的な復元力及びバイアス電圧の静電力と、駆動電圧による静電力とが釣り合った位置で静止して、このときの容量電極間で形成される容量が、可変容量コンデンサ１１の電気容量となる。
　このような態様であっても、初期状態において固定バイアス電極２３と可動バイアス電極３３との間にバイアス電圧を印加して、駆動電圧により可動容量電極３４が変位する方向とは逆方向に可動容量電極３４を変位させることにより、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。
　さらに、駆動電圧を印加することにより、１対の容量電極である固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔を変化させる場合において、バイアス電圧による静電力と駆動電圧による静電力とが相殺される方向に働く。よって、駆動電圧が小さい場合であっても、容量電極の変位量と駆動電圧との線形性を向上させることができ、１対の容量電極の対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。
　したがって、本実施形態の可変容量コンデンサ１１によれば、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可変範囲を大きくすることが可能である。
　また、本実施形態の可変容量コンデンサ１１では、固定容量電極２４と固定駆動電極２５とを、対向して配置された第１の固定部２１と第２の固定部２２とに別々に設けている。よって、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向面積を第１の実施形態と比較して大きく形成することができる。容量電極間に形成される容量は電極面積に比例するため、第１の実施形態に比べ、より大きい容量を取り出すことができ、また、可変容量範囲についてもより大きくなる。
　＜第３の実施形態＞
　第１の実施形態及び、第２の実施形態においては、リンク部５０によって連結された第１の可動部３０及び第２の可動部４０を有する構成について示したが、これに限定されるものではない。図１０には、第３の実施形態における可変容量コンデンサ１２の断面図を示す。　
　第３の実施形態における可変容量コンデンサ１２は、図１０に示すように、可動部８０と、可動部８０を挟むように対向配置された第１の固定部７１及び第２の固定部７２を有して構成される。第１の固定部７１には、固定容量電極２４及び固定駆動電極２５が設けられており、第２の固定部７２には固定バイアス電極２３が設けられている。
　可動部８０は、ばねやねじれ等による復元力を有する連結部８１を介して第１の固定部７１と接続されている。可動部８０には、各固定電極と対向するように可動バイアス電極３３、可動容量電極３４、可動駆動電極３５が設けられている。
　本実施形態の可変容量コンデンサ１２においても、初期状態においてバイアス電圧を印加すると、可動部８０が第２の固定部７２側へ変位する。バイアス電圧を印加した状態で固定駆動電極２５と可動駆動電極３５との間に駆動電圧を印加すると、可動部８０が第１の固定部７１側へ変位する。そして、バイアス電圧による静電力及び復元力と、駆動電圧による静電力とが釣り合った位置において可動部８０が静止する。このときの固定容量電極２４と可動容量電極３４との間に形成される容量値が可変容量コンデンサ１２の電気容量となる。
　本実施形態においても、初期状態においてバイアス電圧により可動部８０を変位させて、固定容量電極２４と可動容量電極３４との対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。また、駆動電圧による静電力と、バイアス電圧による静電力とが相殺される方向に働くため、低電圧領域において、駆動電圧の変化に対する容量変化の線形性を向上させることができる。また、可動駆動電極３５、可動バイアス電極３３、及び可動容量電極３４が同一の可動部８０に設けられているため、バイアス電圧及び駆動電圧を印加することにより、１対の容量電極の対向間隔を容易に制御して、容量電極の対向間隔の可動範囲を大きくすることができる。
　１０、１１、１２　可変容量コンデンサ
　２０　固定部
　２１、７１　第１の固定部
　２２、７２　第２の固定部
　２３　固定バイアス電極
　２４　固定容量電極
　２５　固定駆動電極
　２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ　接合支持部
　３０　第１の可動部
　３３　可動バイアス電極
　３４　可動容量電極
　３５　可動駆動電極
　３６ａ、３６ｂ　第１の連結部
　４０　第２の可動部
　４６ａ、４６ｂ　第２の連結部
　４７ａ、４７ｂ　第３の連結部
　５０、５０ａ、５０ｂ　リンク部
　５１　補助リンク部
　６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂ　支点部
　６５ａ、６５ｂ、６６ａ、６６ｂ　接合部
　８０　可動部

Claims (5)

  1. 　互いに対向して設けられた１対の容量電極と、
    前記１対の容量電極の対向間隔を変化させるための駆動電圧が与えられる１対の駆動電極と、を有する可変容量コンデンサにおいて、
    前記１対の容量電極の対向間隔を前記駆動電圧による変化方向と反対方向に変化させるためのバイアス電圧が与えられる１対のバイアス電極を有することを特徴とする可変容量コンデンサ。
  2. 　前記１対の容量電極は、固定部に設けられた固定容量電極と可動部に設けられた可動容量電極とを有し、
    前記１対の駆動電極は、固定駆動電極と可動駆動電極とを有し、
    前記１対のバイアス電極は、固定バイアス電極と可動バイアス電極とを有して構成されており、
    前記可動駆動電極及び前記可動バイアス電極は前記可動部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の可変容量コンデンサ。
  3. 　前記可動部は、リンク部によって連結された第１の可動部及び第２の可動部を有して構成されており、
    前記第１の可動部には、前記第１の可動部と前記リンク部とを連結する第１の連結部が設けられており、
    前記第２の可動部には、前記第２の可動部と前記リンク部とを連結する第２の連結部が設けられており、
    前記リンク部は、前記第１の可動部が前記固定部に接近するとき前記第２の可動部が前記固定部から離れるように、前記リンク部に連結された支点部を支点として回動可能に設けられており、
    前記支点部は、前記第１の連結部と前記支点部との距離よりも、前記第２の連結部と前記支点部との距離が長くなる位置に設けられているとともに、前記可動容量電極は前記第２の可動部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の可変容量コンデンサ。
  4. 　前記固定部は、第１の固定部と第２の固定部とを有して構成され、
    第１の固定部と第２の固定部とは、前記可動部を挟むように対向して配置されており、
    前記第１の固定部には、前記固定バイアス電極及び前記固定駆動電極が設けられており、前記第２の固定部には、前記固定容量電極が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の可変容量コンデンサ。
  5. 　前記固定部は、第１の固定部と第２の固定部とを有して構成され、
    第１の固定部と第２の固定部とは、前記可動部を挟むように対向して配置されており、
    前記第１の固定部には、前記固定バイアス電極及び前記固定駆動電極のいずれか一方と、前記固定容量電極が設けられており、
    前記第２の固定部には、前記固定バイアス電極及び前記固定駆動電極のいずれか他方が設けられていることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の可変容量コンデンサ。
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